Apuntes TEMA 7. Degradacion de Hidratos de Carbono

Bioquímica. Carmen Martínez URJC Degradación de hidratos de carbono

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Tema 7. Degradación de hidratos de carbono. � Panorámica de las principales vías del metabolismo de hidratos de carbono.

Digestión y absorción de carbohidratos (glucosidasas). � Glucólisis:

• Características generales. Oxidación aerobia y fermentación anaerobia. Relación con otras rutas metabólicas.

• Reacciones enzimáticas de la glucólisis. Estequiometría y balance energético. • Destinos metabólicos del piruvato en condiciones aerobias y anaerobias. • Fermentación láctica y alcohólica. • Regulación de la glucólisis. Perfil energético. Enzimas reguladoras. Efecto

Pasteur. • Entrada de azúcares distintos de la glucosa en la glucólisis.

� Ruta alternativa de oxidación de la glucosa: ruta de las pentosas fosfato.

• Función anabólica de la ruta de las pentosas fosfato: generación de poder reductor (NADPH) y ribosa-5-fosfato para la biosíntesis.

• Fase oxidativa y no oxidativa: enzimas implicadas y su regulación. • El balance global de la ruta se ajusta a las necesidades específicas de la célula.

Bibliografía Lehninger AL, Nelson DL y Cox MM (2001) Principios de Bioquímica. Cap 15. Mathews CK y van Holde KE (1998) Bioquímica. Caps 13 y 14. Stryer L (2008) Bioquímica. Caps 16 y 20. Voet D., Voet J.G. y Pratt C.W. (2007) Fundamentos de Bioquímica. Cap 14.


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TEMA 7. Degradación de hidratos de carbono. Aproximadamente el 50% de las calorías ingeridas por un individuo occidental medio procede de hidratos de carbono: 150 g de almidón, 120 g de sacarosa, 30 g de lactosa y 10 g de glucosa + fructosa al día. Como resultado de la digestión de todos ellos aparecen mayoritariamente tres monosacáridos: glucosa, fructosa y galactosa. Las principales vías del metabolismo de hidratos de carbono comienzan o terminan con glucosa (al menos en mamíferos). La glucosa es la principal forma en que se presentan los hidratos de carbono procedentes de la dieta (tracto intestinal). También es la única fuente de energía para ciertas células especializadas, y es la principal fuente de energía para el cerebro. La utilización de glucosa comienza con la glucólisis, ruta que poseen todas las células del organismo para obtener parte de la energía química de esta molécula, convirtiéndola en piruvato, y preparando (en su caso) la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O en el ciclo de Krebs y cadena de transporte electrónico mitocondrial. Una ruta alternativa a la utilización de glucosa mediante la glucólisis es la vía de las pentosas fosfato, cuya finalidad es proveer de energía y poder reductor en forma de NADPH para la biosíntesis: será importante en las células con una biosíntesis muy activa (lípidos en glándula mamaria, nucleótidos para división celular, etc.) Por otro lado existe una vía de síntesis de novo de glucosa: gluconeogénesis. Esta síntesis de glucosa la lleva a cabo el hígado y riñón fundamentalmente. Requiere consumo energético (ATP) y comparte alguno de los pasos enzimáticos con la glucólisis, pero no todos. Para que el proceso global de la gluconeogénesis sea exergónico (es decir, pueda ocurrir espontáneamente) se necesita sustituir los pasos irreversibles de la glucólisis por unos pasos adicionales, acoplándose la ruta a la hidrólisis de ATP. Algunas células almacenan glucógeno de forma que poseen glucosa disponible en momentos en que no hay aporte exógeno. Músculo e hígado son los principales órganos implicados en el almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno. Como los monosacáridos son los únicos hidratos de carbono que pueden ser absorbidos por el intestino, su digestión consiste esencialmente en la hidrólisis de los enlaces glucosídicos, conseguida mediante enzimas conocidas como glucosidasas, presentes tanto en la saliva como en las secreciones pancreáticas en el intestino. Una vez liberados, los monosacáridos son transportados al interior de las células del epitelio intestinal a través de transportadores específicos. Estas células los envían a la circulación sanguínea portal, de donde llegan directamente al hígado, órgano encargado de regular el metabolismo glucídico en el organismo.


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GLUCÓLISIS La vía glucolítica es una ruta bioquímica que surgió temprano durante la evolución, por lo que prácticamente todos los organismos conocidos la poseen. La glucólisis es una vía catalizada por 10 enzimas secuencialmente (vía lineal) que convierte una molécula de glucosa, de 6 átomos de carbono, en 2 moléculas de piruvato, de 3 átomos de carbono cada una. Esta conversión está acompañada por la producción neta de 2 moléculas de ATP. En animales, la glucólisis es la única ruta metabólica que proporciona ATP en ausencia de O2. La reacción neta de la glucólisis incluye la reducción de dos moléculas de NAD+ a NADH:

D-glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 pyr + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O ∆Gº’ = - 73.3 kJ / mol (conversión de glucosa en pyr) Esto significa que la ruta es exergónica y, por ello, unidireccional. No puede transcurrir en ambos sentidos, sino sólo en el sentido de formación de pyr a partir de glucosa. En los organismos aerobios, la glucólisis es el primer paso en la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O, proceso que requiere O2 como aceptor final de electrones. Bajo condiciones anaeróbicas (en ausencia de O2) los electrones son aceptados, en lugar de por el O2, por una molécula orgánica. Tal proceso es el denominado fermentación. Cuando el piruvato se convierte en lactato se habla de fermentación láctica, en células animales y algunos microorganismos. Cuando a partir de piruvato se obtiene etanol se habla de fermentación alcohólica, característica de muchas levaduras. El balance global de la fermentación láctica sería:

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O (C6H12O6) (C3H6O3) En las fermentaciones se consigue extraer energía de los hidratos de carbono sin realizar una oxidación neta de estos compuestos. (El estado de oxidación de lactato o etanol es el mismo que el de glucosa). La conversión de piruvato a lactato (o etanol) conlleva la reoxidación del NADH a NAD+, para que la glucólisis pueda continuar en ausencia de O2 (en condiciones aerobias el NADH producido durante la glucólisis se oxida de nuevo mediante la cadena de transporte mitocondrial y los electrones son transferidos al O2, el aceptor final de electrones). Una célula que lleve a cabo la fermentación de glucosa a lactato tiene acceso solamente a ≈ 7 % de la energía libre total contenida en la molécula de glucosa. Tan sólo se consiguen 2 ATP por molécula de glucosa fermentada. La mayoría de la


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energía de la glucosa está contenida en la molécula de lactato, que es químicamente casi tan compleja como la de glucosa. El rendimiento energético es mucho menor que en la respiración.

Combustión de glucosa a CO2 y H2O ∆Gº’ = - 2870 kJ/mol Glucosa → 2 lactato ∆Gº’ = - 196 kJ/mol Esta vía en animales superiores tiene lugar cuando el aporte de O2 es

insuficiente y permite mantener los niveles de ATP durante un corto período de tiempo. Es el caso, por ejemplo, del músculo esquelético sometido a un ejercicio intenso; cuando la producción de piruvato excede a la capacidad del ciclo de Krebs las células del músculo esquelético obtienen la mayor parte de su energía mediante la fermentación láctica.

En algunos microorganismos la fermentación láctica es el modo habitual de obtención de energía a partir de carbohidratos: son las bacterias lácticas (Lactobacillus lactis, L. Bulgaricus, etc.) utilizadas para la fabricación del queso, yogur, etc.

La glucólisis desempeña un papel metabólico central en la generación de energía y también en la de intermediarios metabólicos para otras rutas. Los intermediarios producidos en las reacciones glucolíticas son utilizados en diversos procesos biosintéticos, incluyendo la formación de serina y de fosfolípidos de membrana.

En las células eucariotas la glucólisis se lleva a cabo en el citosol, todas las enzimas que participan son citosólicas. El producto final de la glucólisis, el piruvato, pasará a la mitocondria, en presencia de O2, para ser oxidado.

Las 10 reacciones enzimáticas de la glucólisis se pueden considerar divididas en dos etapas diferentes:

• Las 5 primeras reacciones constituyen una etapa de inversión de energía, en la que se generan azúcares-fosfato a costa de la conversión de ATP en ADP, y el sustrato de 6C se desdobla en 2 azúcares-fosfato de 3C.

• Las 5 últimas reacciones corresponden a una etapa de generación de energía. En esta fase, las triosas-fosfato se convierten en compuestos ricos en energía, que transfieren fosfato al ADP, dando lugar a la síntesis de ATP. Estos compuestos ricos en energía son el 1,3 bisfosfoglicerato y el fosfoenolpiruvato. Cada uno de estos compuestos tiene un ∆Gº’ de hidrólisis superior al del ATP. Durante la segunda etapa de la glucólisis cada uno de estos compuestos transfiere su fosfato de alta energía al ADP, dando ATP. Este proceso se denomina fosforilación a nivel de sustrato, es decir, la generación de un enlace fosfato de alta energía impulsada por la degradación de un sustrato con una energía más alta. Es una de las 3 rutas principales de síntesis de ATP, las otras dos son: la fosforilación oxidativa, o sea, la síntesis de ATP impulsada por el transporte electrónico, en la mitocondria, y la fotofosforilación, la utilización de la energía luminosa fotosintética para impulsar la síntesis de ATP, en el cloroplasto.


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El rendimiento neto, por mol de glucosa metabolizada es de 2 moles de ATP y 2 moles de piruvato. Obsérvese que se generan también equivalentes de reducción, en forma de NADH.

Consideremos ahora de manera secuencial las 10 reacciones que van de la glucosa al piruvato:

Reacción 1. Primera inversión de ATP. La fosforilación de la glucosa dependiente del ATP está catalizada por la

hexoquinasa. Esta reacción no es exclusiva de la glucólisis.

Glucosa + ATP → G6P + ADP

Se requiere ión magnesio, ya que la forma reactiva del ATP es su complejo quelado con Mg2+. Esto es así para casi todas las enzimas que requieren ATP.

Es la primera de las dos reacciones de cebado o activación de la glucosa. Además de activar la glucosa, esta fosforilación proporciona a la molécula un grupo polar, cargado negativamente, que le impide pasar a través de la membrana celular, la cual, generalmente no permite el paso de moléculas muy polares. De hecho, la mayor parte de los intermediarios del metabolismo son compuestos iónicos a pH 7, cosa que les impide escapar fuera de las células por simple difusión. Se mantiene así baja la concentración de glucosa libre, la mayor parte de la glucosa intracelular se encuentra fosforilada. Así se favorece la difusión de la glucosa hacia dentro de la célula.

La hexoquinasa puede utilizar otros monosacáridos como sustrato, además de la glucosa, entre ellos la fructosa y la manosa.

Un segundo enzima que puede catalizar esta reacción en hígado es la glucoquinasa. Difiere de la hexoquinasa en la afinidad por glucosa y en su regulación. Así, la hexoquinasa tiene mayor afinidad por la glucosa (menor Km): 0.1 mM frente a 10 mM de la glucoquinasa. La hexoquinasa es un enzima regulador, se inhibe por su propio producto de reacción, la glucosa-6-P, siendo éste un mecanismo que controla la entrada de sustratos en la ruta glucolítica. La glucoquinasa, sin embargo, presenta una baja sensibilidad a la inhibición por parte de la G-6-P.

La glucoquinasa actúa normalmente cuando la concentración de glucosa en sangre es temporalmente elevada, como ocurre tras la digestión de una comida rica en hidratos de carbono, de esta manera permite al hígado realizar una de sus funciones principales que consiste en regular las concentraciones sanguíneas de glucosa. La concentración de glucosa citosólica es generalmente muy superior a la Km de la hexoquinasa, por lo que esta enzima está actuando en condiciones de saturación (Vmax); ante un aumento de la concentración citosólica de glucosa tiene que ser otro enzima el que lleve a cabo la reacción con el exceso de sustrato: la glucoquinasa.

∆Gº’ de la reacción es de –16.7 kJ/mol. Se trata de una reacción, por tanto, irreversible. En condiciones celulares es incluso más favorable: ∆G = -33.9 kJ/mol.

La glucosa-6-P no solamente es un intermediario glucolítico, sino que también es sustrato utilizado para la síntesis de glucógeno y la vía de las pentosas fosfato.


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Reacción 2. Isomerización de la glucosa-6-P. La isomerización de la aldosa, la glucosa-6-P, a su correspondiente cetosa, la

fructosa-6-P, está catalizada por la glucosa fosfato isomerasa.

G6P ↔ F6P

La presencia de un grupo carbonilo en el C2 es imprescindible para que, dos pasos más adelante, se produzca la escisión de la molécula. Además, así el grupo hidroxilo generado en el C1 puede fosforilarse con facilidad en la reacción siguiente.

Se trata de una reacción fácilmente reversible (∆Gº’ = + 1.7 kJ/mol). También participará en la gluconeogénesis. Durante la reacción la glucosa-6-P debe pasar a la forma abierta, ciclándose una vez isomerizada.

Reacción 3. Segunda inversión de ATP.

La tercera reacción consiste en la fosforilación, dependiente de ATP, de la

fructosa-6-P en posición 1. Es la segunda reacción de cebado.

F6P + ATP → F1,6BP + ADP

Está catalizada por la enzima fosfofructoquinasa 1 (PFK-1), enzima que cataliza el primer paso exclusivo de la glucólisis.

El producto de la reacción es la fructosa 1,6 bisfosfato (FBP). Se denomina bisfosfato en lugar de difosfato para indicar que los dos fosfatos están separados en la molécula, y no unidos como en el ADP.

Al igual que la fosforilación de la glucosa, esta reacción es lo suficientemente exergónica (∆Gº’ = -14.2 kJ/mol) como para ser prácticamente irreversible en las condiciones celulares. Esta característica es importante, ya que la PFK-1 constituye el lugar principal de regulación de la glucólisis. La PFK-1 es una enzima alostérica cuya actividad es muy sensible a la situación energética de la célula, así como a las concentraciones de otros intermediarios, en especial el citrato y los ácidos grasos.

Una carga energética alta inhibe la PFK-1. Los moduladores alostéricos positivos, o activadores, de la PFK-1 son el AMP, el

ADP y la fructosa 2,6 bisfosfato (éste último a concentraciones muy bajas, se le considera el principal regulador que controla el flujo de carbono a través de la glucólisis y la gluconeogénesis hepática, su efecto consiste en aumentar la afinidad de PFK-1 por su sustrato F6P).

Los moduladores alostéricos negativos, o inhibidores, más significativos son el ATP y el citrato. El citrato se acumula cuando la carga energética es elevada. En cuanto al ATP su efecto puede parecer anómalo, puesto que el ATP es un sustrato y, por tanto, resulta esencial para la reacción. Hay que indicar que, como inhibidor, el ATP se fija en un lugar distinto de la enzima, con menor afinidad, de modo que a concentraciones bajas de ATP el lugar regulador no está ocupado y la cinética es casi


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hiperbólica. Sólo a concentraciones elevadas el ATP funciona como inhibidor, reduciendo la afinidad por la F6P.

Reacción 4. Fragmentación en dos triosas fosfato.

Una vez generada, la fructosa 1,6 bisfosfato se escinde para dar lugar a dos

intermediarios de 3C. La reacción está catalizada por la aldolasa (que recibe este nombre porque su reacción es similar a la inversa de una condensación aldólica).

La ruptura de la F1,6 BP se produce entre los carbonos 3 y 4, generando gliceraldehído-3-P (G3P) y dihidroxiacetona fosfato (DHAP).

F1,6BP ↔ G3P + DHAP

La reacción es fuertemente endergónica en condiciones estándar: ∆Gº’= + 23.9 kJ/mol. Sin embargo, a partir de las concentraciones intracelulares reales del reactivo y de los productos se ha calculado un ∆G de – 1.3 kJ/mol, que concuerda con la observación de que, in vivo, la reacción va hacia la derecha. Este ejemplo ilustra la importancia de considerar las condiciones existentes en la célula, y no las condiciones del estado estándar, para decidir cual es la dirección favorable de la reacción.

La reacción catalizada por la aldolasa es muy importante porque se generan dos principales intermediarios metabólicos. La DHAP y el G3P están implicados en la gluconeogénesis; en células vegetales son intermediarios de las reacciones de la fase oscura de la fotosíntesis. DHAP, además, es precursor de glicerol-3-P, que participa en la síntesis de fosfolípidos.

Reacción 5. Isomerización de la DHAP.

Sólo una de las triosas fosfato, el G3P, puede degradarse directamente en las

reacciones posteriores de la glucólisis. Por ello es necesaria la conversión de DHAP en G3P. Este paso está catalizado por la enzima triosa fosfato isomerasa.

DHAP ↔ G3P

Esta reacción es también un poco endergónica (∆Gº’ = + 7.6 kJ/mol) en condiciones estándar, pero la concentración intracelular de G3P es baja, lo cual hace que la reacción se desplace hacia la derecha. La razón es que el G3P es rápidamente consumido por la acción de diversas enzimas.

Es de notar que los carbonos 1 y 6 de la glucosa se convierten en el C3 del G3P.

En este punto la glucólisis ha gastado 2 moléculas de ATP y ha convertido un

azúcar hexosa en 2 moléculas de G3P, cada una de las cuales será metabolizada a continuación para producir compuestos de alta energía que puedan impulsar la síntesis


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de ATP. La fase de inversión de energía del ciclo se ha completado ya, y va a iniciarse la fase de generación de energía.

La segunda etapa de la glucólisis abarca desde el G3P hasta el piruvato, formándose 2 ATP. Como cada glucosa genera 2 moléculas de G3P, la segunda etapa de la glucólisis genera 4 ATP, por lo que el balance neto es la síntesis de 2 ATP. En esta segunda etapa, además, se genera NADH, cuyo destino es variable según el organismo y las condiciones celulares: en condiciones anaerobias se recicla NAD+ en un paso reductor en las fermentaciones, y en condiciones aerobias será oxidado por la respiración celular.

Reacción 6. Generación del primer compuesto de alta energía.

El primer paso de la segunda etapa es la única reacción de oxidación de la

glucólisis. Está catalizado por la enzima gliceraldehído-3-P deshidrogenasa, dependiente de NAD+. Esta es una de las reacciones más importantes de la glucólisis, debido en parte a que genera el primer intermediario de alta energía y en parte porque genera un par de equivalentes reductores:

G3P + NAD+ + Pi ↔ 1,3 bisfosfoglicerato + NADH + H+

Esta reacción comporta una oxidación de 2 electrones del carbono carbonilo del

G3P al nivel de carboxilo, una reacción que generalmente es bastante exergónica. Sin embargo, la reacción global es ligeramente endergónica (en condiciones estándar) ∆Gº’ = + 6.3 kJ/mol, ya que la enzima utiliza la mayor parte de la energía liberada para impulsar la síntesis de un compuesto de súper-alta energía, el 1,3 bisfosfoglicerato (BPG). Este compuesto contiene un anhídrido mixto de ácido carboxílico-fosfórico (o grupo acil-fosfato), en la posición 1, un grupo funcional con un ∆Gº’ de hidrólisis muy alta, - 49.9 kJ/mol, superior a la del anhídrido fosfato del ATP, capaz por tanto de impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP, como de hecho lo hace en la siguiente reacción de la secuencia. Esta enzima requiere también un coenzima, el NAD+, para aceptar los electrones del sustrato que se está oxidando. Es una proteína tetramérica, con 4 subunidades idénticas. Se inhibe por metales pesados, ya que posee grupos SH en su centro activo, grupos tioles que son esenciales para la actividad catalítica. Reacción 7. Primera fosforilación a nivel de sustrato. El 1,3 bisfosfoglicerato, dado su elevado potencial de transferencia de fosfato, tiene una clara tendencia a transferir su grupo acil-fosfato al ADP, con la consiguiente formación de ATP. Esta reacción de fosforilación a nivel de sustrato la cataliza la fosfoglicerato quinasa.

1,3 BPG + ADP ↔ 3PG + ATP


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∆Gº’ de la reacción es de - 18.8 kJ/mol. En condiciones celulares [3PG] » BPG y el ∆G es ligeramente positivo.

El arseniato es una sustancia tóxica porque puede ser utilizado por la G3PDH, pero entonces no se genera ATP en el paso catalizado por la fosfoglicerato quinasa. Reacción 8. Preparación para la síntesis del siguiente compuesto de alta energía

El 3-fosfoglicerato (3PG) es transformado en 2-fosfoglicerato (2PG) por la acción

de la enzima fosfoglicerato mutasa, enzima que requiere Mg2+. (Las mutasas catalizan la migración de un grupo funcional dentro de una molécula).

3PG ↔ 2PG

Hasta este punto en la glucólisis el balance energético sería cero: se ha

consumido tanto ATP como se ha generado. Para obtener energía hay que convertir un enlace pobre en energía como el éster del 3PG en un enlace rico en energía. Para ello se da este primer paso de cambio de posición del enlace éster y, posteriormente, se elimina una molécula de H2O para generar el PEP.

Esta reacción tiene un ∆Gº’ de + 4.4 kJ/mol, es ligeramente endergónica en condiciones estándar. De nuevo, la concentración intracelular de 3PG es alta con respecto a la de 2PG, por lo que in vivo la reacción se produce hacia la derecha sin dificultad.

La enzima contiene una fosfohistidina en el lugar activo. En el primer paso de la reacción se transfiere el fosfato al sustrato para formar un intermediario: el 2,3 BPG, 2,3-bisfosfoglicerato. Enzima-P + 3-P-glicerato → [Enzima-2,3 bisfosfoglicerato] → Enzima-P + 2-P-glicerato Reacción 9. Síntesis del segundo compuesto de alta energía. La deshidratación del 2PG para generar PEP está catalizada por la enolasa, que tiene un requerimiento absoluto por Mg2+ o Mn2+ y se inhibe fuertemente por fluoruro.

2PG ↔ PEP + H2O ∆Gº’ = + 1.7 kJ/mol

Aunque la reacción catalizada por la enolasa es, formalmente, una eliminación de una molécula de H2O de los átomos de carbono 2 y 3 del 2PG, puede considerarse también como una oxidorreducción intramolecular, ya que la eliminación de H2O provoca que el átomo de C2 resulte más oxidado y el átomo de C3 más reducido.

El ∆Gº’ de esta reacción es pequeño. Sin embargo, su efecto consiste en aumentar enormemente la variación de energía libre de hidrólisis del enlace fosfato, que pasa de -15.6 kJ/mol para el 2PG a - 61.9 kJ/mol para el PEP, debido a que el producto de la hidrólisis del PEP, el piruvato, se estabiliza por resonancia.


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Reacción 10. Segunda fosforilación a nivel de sustrato. En la última reacción, catalizada por la piruvato quinasa, el PEP transfiere su Pi

al ADP en otra fosforilación a nivel de sustrato. La reacción es fuertemente exergónica (∆Gº’ = - 31.4 kJ/mol) ya que la tautomerización espontánea del producto, el enol piruvato, hacia la forma ceto altamente favorecida proporciona un fuerte impulso termodinámico hacia delante.

PEP + ADP → Pyr + ATP

La reacción de la piruvato quinasa es otro lugar de regulación metabólica. En

hígado la enzima, un tetrámero de ∼250000 de peso molecular, se inhibe alostéricamente a concentraciones de ATP elevadas y se activa por la fructosa 1,6 bisfosfato.

La síntesis de la enzima hepática está bajo control de la dieta: se induce la síntesis por dietas ricas en hidratos de carbono.

La actividad de la piruvato quinasa en el hígado se regula también por fosforilación/defosforilación. La forma defosforilada es mucho más activa. Este proceso está bajo control hormonal (glucagon activa PKA que fosforila PK) y deriva el PEP hacia la gluconeogénesis cuando la oxidación de los ácidos grasos y el ciclo de Krebs están actuando ya en un grado suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de la célula. Esto es aplicable al hígado solamente. En músculo prácticamente todo el PEP producido se convierte en piruvato.

Existen dos defectos genéticos relacionados con la glucólisis que afectan al transporte de O2 en la sangre y provocan patologías.

Cuando se habló de la hemoglobina se dijo que el 2,3-bisfosfoglicerato actúa como inhibidor alostérico de la unión del O2 a la hemoglobina, se une específicamente a la deoxihemoglobina y altera la afinidad de la hemoglobina por el O2.

Los eritrocitos sintetizan y degradan el 2,3-BPG mediante una vía que es una desviación de la ruta principal de la glucólisis.

Una deficiencia de hexoquinasa provoca una disminución de la concentración de 2,3 BPG, al diminuir [1,3 BPG], y como consecuencia un aumento de la afinidad de la hemoglobina por el O2, lo que conlleva un menor aporte de O2 a los tejidos periféricos al cederlo con mayor dificultad la hemoglobina.

Una deficiencia de piruvato quinasa provoca un aumento de la concentración de 2,3 BPG, al aumentar [1,3 BPG], y como consecuencia una disminución de la afinidad de la hemoglobina por el O2, lo que conlleva un deterioro de la captación de O2 en los pulmones.


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DESTINOS METABOLICOS DEL PIRUVATO El piruvato está situado en una encrucijada metabólica. Su destino va a

depender del estado de oxidación de la célula en la que es producido y de la dependencia de esa célula por el O2. En condiciones anaeróbicas el piruvato es reducido y se regenera así el NAD+; en condiciones aeróbicas el piruvato es oxidado en el ciclo de Krebs.

Fermentación láctica.

En los organismos anaerobios o en las células aerobias que están realizando

unas tasas de glucólisis muy elevadas, el NADH generado en la glucólisis no puede reoxidarse en las mitocondrias. Cuando se produce esta situación el NADH debe utilizarse para impulsar la reducción de un sustrato y así mantener la homeostasis. Como ya se ha indicado, ese sustrato es el propio piruvato, y el producto es el lactato. (En células eucariotas y en bacterias del ácido láctico). La enzima que cataliza esta reacción es la lactato deshidrogenasa LDH.

Pyr + NADH + H+ ↔ lactato + NAD+ ∆Gº’ = - 25.1 kJ/mol

La LDH se encuentra en los tejidos animales en múltiples formas moleculares.

Las distintas formas moleculares de una enzima que catalizan la misma reacción se denominan isoenzimas. La LDH tiene 5 isoenzimas.

La LDH es una proteína tetramérica, formada por dos tipos de subunidades, M y H, que presentan pequeñas diferencias en su secuencia de aminoácidos. Las subunidades M predominan en el músculo esquelético y las subunidades H predominan en el corazón. Las subunidades M y H se combinan entre sí, de manera que las 5 isoenzimas de la LDH tienen las siguientes composiciones: M4, M3H, M2H2, MH3 y H4.

Las 5 isoenzimas difieren en la Km por el piruvato y en la regulación. Se encuentran en diferentes proporciones en los distintos tejidos.

M4 ⇒ Es abundante en músculo esquelético, tejido que utiliza glucosa aneróbicamente.

H4 ⇒ Se inhibe por piruvato. Es abundante en corazón, tejido que oxida aeróbicamente la glucosa.

En músculo esquelético una alta concentración de piruvato se deriva en parte hacia la formación de lactato, que puede ser exportado al torrente sanguíneo y llegar a los tejidos gluconeogénicos, dando así origen al ciclo de Cori.

Fermentación alcohólica.

Las levaduras convierten el piruvato en etanol en una ruta de dos pasos. En el

primer paso se produce la descarboxilación no oxidativa del piruvato a acetaldehído, reacción catalizada por la piruvato descarboxilasa. Esta enzima requiere la presencia como coenzima del pirofosfato de tiamina (TPP+). Este coenzima, procedente de la


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vitamina B1, interviene en varias reacciones de transferencia de grupos que implican una porción aldehído activada.

A continuación el acetaldehído será reducido a etanol por la enzima alcohol deshidrogenasa, en una reacción dependiente de NADH.

Pyr + H+ → acetaldehído + CO2 Acetaldehído + NADH + H+ ↔ etanol + NAD+

Algunas de las consecuencias metabólicas importantes de la intoxicación por etanol se deben a la oxidación del etanol por la enzima alcohol deshidrogenasa en el hígado. En primer lugar, se produce una reducción masiva de NAD+ a NADH, que reduce el flujo que transcurre por la G3PDH, con la consiguiente inhibición de la generación de energía. En segundo lugar, el acetaldehído es bastante tóxico (forma bases de Schiff con los grupos ε-amino de las proteínas), y muchos de los efectos desagradables de las resacas son consecuencia de las acciones del acetaldehído y sus ulteriores metabolitos (los animales carecen de la enzima piruvato descarboxilasa).

Ambas fermentaciones, láctica y alcohólica, tienen la misma función: la

regeneración anaeróbica de NAD+ para que pueda continuar la glucólisis. Se diferencian fundamentalmente en sus productos metabólicos.

La fermentación no es un proceso oxidativo ya que el estado de oxidación de

sus productos (lactato o etanol) es el mismo que el de la glucosa. En cambio, el piruvato sí está más oxidado que la glucosa.

La glucólisis, tanto si es aerobia como si es anaerobia, libera tan sólo una pequeña fracción de la energía potencial almacenada en la molécula de glucosa. La mayor parte de la energía potencial que existe inicialmente en la glucosa continúa aún a la espera de liberarse tras la glucólisis. El metabolismo aeróbico de la glucosa permite la extracción de más energía de la glucosa, aumentando así la eficiencia del metabolismo celular. Por este motivo el metabolismo aeróbico es mucho más eficaz que el anaeróbico, y los organismos aerobios se adaptan mejor y están más extendidos que los anaerobios. No obstante, los animales recurren al metabolismo anaerobio en determinadas circunstancias fisiológicas. Así, por ejemplo, durante el parto en el recién nacido se produce una interrupción en el aporte de oxígeno (los pulmones aún no son funcionales y no hay aporte materno). Se recurre entonces al metabolismo anaerobio, que constituye una forma rápida, aunque sea poco eficiente, de conseguir energía.

acetaldehído

PYR

FERMENTACIÓN LÁCTICA Células animales y bacterias lácticas.

LACTATO

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Levadura

ETANOL


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REGULACIÓN DE LA GLUCÓLISIS La glucólisis está estrechamente coordinada con otras rutas importantes de

generación y utilización de energía, en especial la síntesis y degradación del glucógeno, la gluconeogénesis, la ruta de las pentosas fosfato y el ciclo de Krebs. Es importante señalar, pues, que los factores metabólicos que controlan la glucólisis tienden a regular otras rutas de una manera coordinada.

En general encontramos que las enzimas del metabolismo de los hidratos de carbono que están sujetas a regulación son aquellas que catalizan reacciones termodinámicamente irreversibles. Las tres reacciones de la glucólisis que transcurren con una gran variación negativa de la energía libre están catalizadas por la hexoquinasa, la PFK-1 y la piruvato quinasa. Cada una de ellas es una enzima alostérica.

La aceptación de que la glucólisis se controla fundamentalmente por la actividad de la PFK se produjo en parte gracias a un descubrimiento realizado hace más de un siglo por Louis Pasteur. Cuando los cultivos anaerobios de levaduras que metabolizaban glucosa se exponían al aire, la tasa de utilización de glucosa se reducía drásticamente. Este fenómeno, denominado efecto Pasteur, se explica por la inhibición de la glucólisis por el oxígeno, lo cual tiene su lógica puesto que se obtiene mucha más energía a partir de la oxidación completa de la glucosa que sólo a partir de la glucólisis. El mecanismo de este efecto se dedujo que debía ser la inhibición de la PFK-1 en presencia de oxígeno (probablemente por un aumento de [ATP]), puesto que se observó la acumulación de metabolitos previos a F1,6BP y la disminución de todos aquellos posteriores a F1,6BP.

Otras conclusiones importantes surgieron del descubrimiento de que las concentraciones intracelulares de intermediarios glucolíticos no son constantes en muchas situaciones, sino que experimentan variaciones periódicas u oscilaciones. Estas oscilaciones pueden ser medidas como variaciones en las concentraciones de NADH, ATP, ADP y AMP. Las variaciones cíclicas de las concentraciones de estos intermediarios glucolíticos proporcionan claves importantes sobre los mecanismos reguladores que afectan a la glucólisis.

Las oscilaciones son una característica común en las rutas controladas mediante retroinhibición (inhibición feed-back).

Además, el patrón obtenido (las concentraciones de ADP y AMP aumentan y disminuyen con la misma fase que el NADH, justo la opuesta a la del ATP) sugiere que la actividad de la glucólisis depende de algún modo de la carga energética: cuando la carga es elevada la ruta está inactivada y cuando es baja la ruta se activa. Luego, el principal punto de regulación debe ser una enzima regulada por la carga energética: la PFK.

La PFK es una enzima alostérica. Sus activadores son AMP, ADP y F2,6BP; éste último es el más importante, su síntesis está catalizada por la PFK-2, cuya actividad se regula por fosforilación/defosforilación reversible, controlada en última instancia por AMPc en respuesta a estímulos hormonales. Los inhibidores de PFK son ATP y citrato. La inhibición por citrato constituye otro sensor del nivel energético. Con


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una carga energética elevada, el flujo a través del ciclo de Krebs se reduce. En estas condiciones el citrato se acumula y se transporta fuera de las mitocondrias. Su interacción con la PFK en el citosol puede ser un indicador de que la generación de energía es suficiente y, por tanto, de que puede reducirse la producción de precursores del ciclo de Krebs a través de la glucólisis.

La piruvato quinasa también se inhibe alostéricamente por ATP. Un segundo efecto alostérico es la activación anterógrada de la piruvato quinasa

por la F1,6BP. Este efecto, que es el inverso de la retroinhibición, garantiza que el carbono que supere el primer paso regulado de la glucólisis (PFK-1) podrá completar su paso por la ruta y que no se producirá una acumulación indeseable de intermediarios.

Un tercer efecto, de control por retroinhibición, es la inhibición de la piruvato quinasa por acetil-CoA (principal producto de la oxidación de los ácidos grasos). Esto permite que la glucólisis se inhiba cuando los ácidos grasos estén generando energía.

Otros niveles de regulación de la piruvato quinasa son por fosforilación defosforilación y por inducción de la síntesis de la enzima, como ya comentamos.

La glucólisis se regula también en los puntos de entrada de carbono a la ruta. Así, la hexoquinasa se inhibe por alta concentración de glucosa-6-P.

Otro punto de control importante en el metabolismo de los animales es la degradación de glucógeno por la glucógeno fosforilasa, que controla la disponibilidad de glucosa. ENTRADA DE AZÚCARES DISTINTOS DE LA GLUCOSA EN LA GLUCÓLISIS

El más abundante de los monosacáridos es la glucosa, pero también son

importantes la galactosa (procedente de la hidrólisis del disacárido lactosa de la leche), la fructosa (presente como azúcar libre en muchas frutas, se obtiene también en la hidrólisis de la sacarosa) y la manosa (procedente de la digestión de alimentos que contienen determinados polisacáridos o glucoproteínas).

Las rutas de utilización de estos sustratos se esquematizan en la figura (fig. 13.12 Mathews).

En cuanto a los disacáridos los tres más abundantes en los alimentos son la maltosa, la lactosa y la sacarosa. En el metabolismo de los animales estas sustancias se hidrolizan en las células que tapizan la pared intestinal, para dar lugar a las hexosas que las forman que pueden ser absorbidas y utilizadas en la glucolisis:

Maltosa + H2O → 2 D-glucosa Lactosa + H2O → D-galactosa + D-glucosa Sacarosa + H2O → D-fructosa + D-glucosa

En muchas personas, la enzima lactasa desaparece de las células de la mucosa intestinal a partir de los 4 ó 6 años de edad, época en que generalmente suele reducirse el consumo de leche. Ello hace que se produzca una intolerancia a la lactosa, en la que el consumo de leche o productos lácteos que contengan lactosa provoca molestias intestinales, debida a la acción bacteriana sobre la lactosa que se acumula.


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RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO La ruta predominante del catabolismo de la glucosa es la glucólisis para dar

piruvato, seguida de la oxidación a CO2 en el ciclo de Krebs. La vía de las pentosas fosfato es un proceso alternativo, cuya función es fundamentalmente anabólica más que catabólica (aunque no hay que olvidar que conlleva la oxidación de la glucosa y en ciertos casos puede actuar para oxidar la glucosa por completo hasta CO2 y H2O).

La ruta de las pentosas fosfato tiene dos funciones principales: 1) proporcionar NADPH para la biosíntesis reductora y 2) proporcionar ribosa-5-P para la biosíntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. El NADP+ es idéntico al NAD+ excepto por la presencia de un fosfato adicional

en posición 2’ de una de las ribosas del NADP+. Metabólicamente, la diferencia entre ambos coenzimas es que el NADPH participa en procesos biosintéticos, en tanto que el NADH es la forma predominante durante el catabolismo.

Dado que el NADPH se utiliza para la biosíntesis de los ácidos grasos y los esteroides, los tejidos más activos en la vía de las pentosas fosfato serán aquellos especializados en la síntesis de tales moléculas, como el tejido adiposo, el hígado, la glándula mamaria durante la lactancia y las glándulas suprarrenales. En otras células, tales como las de músculo esquelético, esta ruta es mucho menos activa.

Además de producir NADPH, la ruta de las pentosas fosfato genera ribosa-5-P, un precursor de la biosíntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos, por lo que las células que proliferan rápidamente (células en división) tienen generalmente una actividad elevada de las enzimas de esta ruta.

En las plantas existe una variante de la ruta de las pentosas fosfato que actúa en sentido inverso como parte del proceso de fijación del carbono de la fotosíntesis. La vía de las pentosas fosfato es, igual que la glucólisis, citosólica. El predominio de una u otra ruta dependerá de las condiciones metabólicas de la célula.

Se puede considerar a la ruta de las pentosas fosfato como una ruta alternativa a la glucólisis para la oxidación de la glucosa, acoplada a la formación de NADPH.

Se distinguen dos fases: - una fase oxidativa: en la que la G6P es transformada en ribulosa-5-P, con la

generación paralela de 2 moléculas de NADPH. - una fase no oxidativa: en la que la ribulosa-5-P produce ribosa-5-P y xilulosa-

5-P, que pueden posteriormente ser convertidos en los intermediarios glucolíticos G3P y F6P.

En la fase oxidativa se genera poder reductor en forma de NADPH. Dos de las

tres reacciones de esta etapa son oxidativas, y cada una de ellas conlleva la reducción de un NADP+ a NADPH.


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La primera reacción, catalizada por la glucosa-6-P deshidrogenasa (G6PDH), oxida la G6P a la correspondiente lactona (una lactona es un éster intramolecular). Este es el enzima regulador principal, se inhibe alostéricamente por NADPH.

A continuación la lactona se hidroliza por una lactonasa específica a 6-fosfogluconato, que experimenta una descarboxilación oxidativa para dar CO2, otro NADPH y una pentosa fosfato, la ribulosa-5-P (el carbono liberado es el correspondiente a la posición 1 de la glucosa).

La fase no oxidativa consiste principalmente en interconversiones entre moléculas. Parte de la ribulosa-5-P producida en la fase oxidativa se convierte en ribosa-5-P, por acción de una isomerasa.

Llegados a este punto ya se han realizado las dos funciones principales de la

ruta, es decir, la generación de NADPH y de ribosa-5-P.

G6P + 2NADP+ + H2O → ribosa-5-P + CO2 + 2NADPH + 2H+

Ahora bien, muchas células necesitan el NADPH para la biosíntesis pero no necesitan la ribosa-5-P en cantidades tan elevadas. Entonces la ribosa-5-P tiene que catabolizarse. El proceso implica una serie de transformaciones del azúcar-P que pueden parecer complicadas, pero que tienen un resultado sencillo. La secuencia de reacciones convierte 3 azúcares-P de 5C en 2 azúcares-P de 6C y 1 de 3C. El azúcar-P de 6C es la F6P y el de 3C es el G3P, ambos intermediarios glucolíticos que pueden catabolizarse por esta vía.

Las enzimas que intervienen en el proceso son: ribulosa-5-P epimerasa, transcetolasa y transaldolasa.

La ribulosa-5-P se convierte, por acción de la epimerasa, en su epímero, la xilulosa-5-P.

A continuación, la transcetolasa, una enzima dependiente de pirofosfato de tiamina (TPP+= grupo transportador de aldehídos), cataliza la transferencia de un fragmento de dos átomos de carbono desde la xilulosa-5-P (cetosa) a la ribosa-5-P (aldosa), formando G3P y sedoheptulosa-7-P.

A continuación, la transaldolasa actúa sobre los dos productos de la reacción de la transcetolasa, transfiriendo un fragmento de 3 átomos de carbono procedente del sustrato de 7C al sustrato de 3C. Los productos son un azúcar-P de 4C: la eritrosa-4-P y un azúcar-P de 6C, la fructosa-6-P.

En la reacción final del catabolismo de las pentosas-P, la transcetolasa actúa sobre otra molécula de xilulosa-5-P, transfiriendo un fragmento de 2C a la eritrosa-4-P y generando G3P y F6P.

Tanto las transcetolasas como las transaldolasas tienen poca especificidad de sustrato, siendo específicas del grupo que transfieren.

Hasta el momento la ruta ha necesitado la entrada de tres moléculas de pentosa fosfato: dos para la primera reacción de la transcetolasa y una para la segunda. Así, pues, para resumir la ruta hasta este punto, debemos considerar el paso de 3 G6P a través de la fase oxidativa:

3 G6P + 6NADP+ + 3 H2O → 3 pentosa-5-P + 6NADPH + 6 H+ + 3 CO2


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Ahora, los reordenamientos de la fase no oxidativa convierten 3 pentosas fosfato en 2 azúcares fosfato de 6C y 1 de 3C:

2 xilulosa-5-P + ribosa-5-P → 2 F6P + G3P La ecuación equilibrada de la ruta sería:

3 G6P + 6 NADP+ + 3 H2O → 2 F6P + G3P + 6NADPH + 6 H+ + 3 CO2

Ahora bien, el balance global de la ruta es variable según las necesidades de la célula, porque los metabolitos generados pueden seguir varios caminos, según su consumo por otras vías.

Podemos distinguir 4 casos: 1) La célula necesita tanto ribosa-5-P como NADPH: la G6P se transforma en

ribosa-5-P vía fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato. La reacción sería en este caso:

G6P + 2NADP+ + H2O → ribosa-5-P + CO2 + 2NADPH + 3H+

Ambos productos finales: NADPH y ribosa-5-P salen de la ruta para cubrir las necesidades de la célula.

2) La célula necesita principalmente ribosa-5-P (porque se está dividiendo

activamente y la síntesis de nucleótidos se encuentra acelerada). No requiere NADPH. En este caso la G6P se convierte en F6P y G3P vía glucólisis, sobre los que actúan la transaldolasa y la transcetolasa (dado que catalizan reacciones reversibles). Sería el proceso inverso al descrito anteriormente. El balance global es:

5 G6P + ATP → 6 ribosa-5-P + ADP

3) La célula necesita principalmente NADPH. En este caso la G6P puede ser oxidada totalmente a CO2. Para ello los compuestos generados en la fase no oxidativa, F6P y G3P, se utilizan para resintetizar G6P mediante la gluconeogénesis. Esta G6P vuelve a entrar en la fase oxidativa de la vía. En cada ciclo se pierde un carbono como CO2, de modo que sería equivalente a oxidar completamente una molécula de glucosa en 6 vueltas de este ciclo. El resultado neto sería:

G6P + 12 NADP+ + 7 H2O → 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H

+ + Pi 4) La célula necesita tanto NADPH como ATP: el NADPH es producido entonces

por la fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato. La F6P y el G3P generados a través de la fase no oxidativa de la ruta entran en la glucólisis para rendir piruvato, y simultáneamente ATP. La reacción global sería:

3G6P + 6NADP+ + 5NAD+ + 5 Pi + 2ATP + 8ADP → 5piruvato + 3CO2 + 6NADPH + 5NADH + 10ATP + 11H

+

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Apuntes TEMA 7. Degradacion de Hidratos de Carbono